هوائي التصحيح Microstrip

نظراً لأنّه يتم تشكيل هوائي “Microstrip” ويعرف كذلك بـ “Patch” باستخدام أسلوب “microstrip” عن طريق الإنتاج على لوحة دوائر مطبوعة “printed circuit board”، يُعرف باسم هوائي “Microstrip” أو الهوائي “Patch” وبشكل عام تُعتبر هوائيات التصحيح هوائيات منخفضة المستوى وتستخدم لتطبيقات تردد الميكروويف التي يزيد ترددها عن “100 ميجاهرتز”.

ما هو هوائي Microstrip أو Patch؟

هوائي التصحيح “Microstrip” أو “Patch”: هو الهوائي الذي يتم تكوينه عن طريق حفر قطعة من مادة موصلة على سطح عازل، كما يتم تثبيت المادة العازلة على مستوى أرضي، حيث يدعم المستوى الأرضي الهيكل بأكمله، وأيضاً يتم توفير الإثارة للهوائي باستخدام خطوط تغذية متصلة من خلال التصحيح.

كيفية تصميم هوائي Microstrip أو Patch:

هوائي “Microstrip” أو “Patch” له هندسة ثنائية الأبعاد، كما تأتي هذه الهوائيات بأشكال مختلفة، حيث يتم تحديد شكلها من خلال شكل الرقعة المعدنية الموضوعة على المادة العازلة، كما يمكن أن تكون البقع مستطيلة أو مربعة أو دائرية أو مثلثة أو حلقية أو بيضاوية الشكل، فمثلاً إذا كان هناك هوائي “Microstrip” مستطيل الشكل، يتكون من تصنيع رقعة معدنية مستطيلة على مستوى أرضي مطلي بالعازل الكهربائي، يمكن أن يكون هذا عن عبارة مادة عازلة، والتي لها رقعة موصلة مدعومة بمستوى أرضي، كما يمثل الشكل التالي المنظر العلوي لهوائي “microstrip”:

حيث هذا هو أبسط أشكال هوائي التصحيح، حيث يبلغ طول الرقعة المحفورة على الركيزة نصف طول الموجة، بينما يكون سمكها أقل بكثير من، وأيضاً يتم توفير الإثارة للهوائي من خلال خطوط التغذية المتصلة بالرقعة، كما يتم استخدام الركيزة التي ليست سوى مادة عازلة لفصل الشريط عن المستوى الأرضي، حيث يتم حفر التصحيح أو الشريط وخطوط التغذية بالصور على سطح الركيزة، كما أنّه يمكن تشكيل الرقع بأشكال متعددة، ومع ذلك نظراً لسهولة التصنيع، ويتم استخدام بقع مستطيلة أو دائرية أو مربعة الشكل بشكل عام.

كما يمكن أيضاً تشكيل هوائيات التصحيح بمجموعة من الرقع المتعددة على ركيزة عازلة للكهرباء، ويتم استخدام خطوط تغذية مفردة أو متعددة لتوفير الإثارة للهوائي، كما يوفر وجود صفائف من عناصر “microstrip” اتجاهية أكبر وكسباً أعلى ونطاق إرسال أكبر مع تداخل أقل.

كيفية عمل هوائي Microstrip:

يعمل هوائي “Microstrip” بطريقة أنّه عندما يصل التيار عبر خط التغذية إلى شريط الهوائي، يتم إنشاء الموجات الكهرومغناطيسية، كما تبدأ الموجات من الرقعة بالإشعاع من جانب العرض، ولكن نظراً لأنّ سمك الشريط صغير للغاية، فإنّ الموجات التي يتم إنتاجها داخل الركيزة تنعكس على حافة الشريط، كما لا يسمح الهيكل المستمر للشريط بطول الطول بانبعاث الإشعاع، وعلاوةً على ذلك عند حدوث انقطاع مفاجئ في بنية الرقعة، تنبعث الإشعاعات مرة أخرى من جانب العرض الثاني من الرقعة.

نظراً لأنّ هذه البنية غير المستمرة تفضل الانعكاسات، فإنّ هوائي التصحيح لا يشع سوى جزء صغير من الطاقة العارضة المزودة، وهذا يجعل الهوائي غير فعال، وبدلاً من عرض خصائص المبرد الجيد، فإنّه يعمل إلى حد ما كتجويف، كما تسمح قدرة الإشعاع المنخفضة لهوائي “Microstrip” بتغطية المسافات الصغيرة فقط لنقل الموجات مثل المكاتب المحلية أو المتاجر أو أي مواقع داخلية، وعلى هذا النحو لا يمكن دعم النقل غير الفعال في موقع مركزي في منطقة كبيرة للغاية، كما يتم توفير تغطية نصف كروية بواسطة هوائي رقعة بزاوية “30 درجة” إلى “180 درجة” عند العرض من الحامل.

أولاً: نمط الإشعاع في هوائي Microstrip:

ثانياً: مواصفات إشعاع هوائي “Microstrip”:

• يجب أن تكون رقعة الهوائي منطقة موصلة رفيعة جداً، “t << λ ο” حيث أنّ “λ ο” هو طول موجي في الفضاء الحر.

• يجب أن يكون لمستوى الأرضي أبعاد كبيرة نسبياً من الرقعة.

• يتم إجراء الحفر بالصور لتصنيع عنصر الإشعاع وخطوط التغذية على الركيزة.

• توفر الركيزة العازلة السميكة ذات الثابت العازل في حدود “2.2” إلى “12” أداءً جيداً للهوائي.

• توفر مصفوفات عناصر “Microstrip” في تكوين الهوائي قدراً أكبر من التوجيه.

• توفر هوائيات “Microstrip” نطاقاً عالياً للشعاع .

• عامل عالي الجودة للغاية يتم تقديمها من قبل هوائي “Microstrip”، حيث ينتج عن “Q” الكبير عرض نطاق ترددي ضيق وكفاءة منخفضة، ومع ذلك يمكن تعويض ذلك عن طريق زيادة سمك الركيزة، ومع ذلك فإنّ الزيادة في السُمك عن حد معين ستؤدي إلى فقد غير مرغوب فيه للطاقة.

طرق تغذية هوائي Microstrip:

أولاً: التغذية الملامسة:

في هذه الطريقة، تُعطى القدرة مباشرة إلى العنصر المشع، كما يتم ذلك باستخدام خط دقيق أو خط متحد المحور، وبالتالي هناك نوعان من الاتصال بالخلاصة:

1- تغذية “Microstrip feed”:

تغذية “Microstrip feed”: هو شريط موصل بعرض أصغر بكثير من عرض عنصر الإشعاع، ونظراً للأبعاد الرقيقة للشريط، فإنّ خط التغذية يوفر نقشاً سهلاً على الركيزة، كما يمكن توفير خط التغذية للهيكل إمّا في المركز أو في الداخل أو الإزاحة.

2- التغذية المحورية:

التغذية المحورية: هي إحدى الطرق الشائعة الاستخدام لتغذية الهوائي، حيث يتم توفير التغذية المحورية للهوائي بطريقة يتم فيها توصيل الموصل الداخلي بالرقعة، بينما يتم توصيل الموصل الخارجي بالمستوى الأرضي.

مع الاختلاف في موضع التغذية المحورية، تختلف المعاوقة أيضاً، ونظراً لأنّ خط التغذية يمكن توصيله في أي مكان داخل التصحيح، فإنّه يسهل مطابقة المعاوقة، ومع ذلك فإنّ توصيل خط التغذية بالمستوى الأرضي صعب بعض الشيء لأنّ هذا سيتطلب حفر حفرة في الركيزة.

ثانياً: التغذية غير الملامسة:

يتم توفير الطاقة من خط التغذية للعنصر المشع باستخدام اقتران كهرومغناطيسي، ونوعا التغذية غير المتصلين هما:

1- الفتحة:

الفتحة: هي نوع من الاقتران الكهرومغناطيسي الذي يسمح بإثارة العنصر المشع دون تشكيل اتصال مباشر معه، حيث في هذه الطريقة يتم النظر في ركيزتين عازلتين مفصولة بمستوى أرضي، كما يتم توفير خط التغذية من خلال المستوى الأرضي، والتصحيح موجود في الركيزة العازلة العليا.

كما أنّ التغذية لا تشكل اتصالاً مباشراً مع الرقعة المشعة، وهكذا يتم تكوين فتحة على مستوى التوصيل ممّا يسمح باقتران طاقة خط التغذية بالهوائي، كما يعزل المستوى الأرضي خط التغذية عن العنصر المشع، ويسمح طول الفتحة وعرض خط التغذية بالتحكم، حيث إنّها أصعب طريقة لتغذية الهوائي، وهذا لأنّ الركائز العازلة للكهرباء تسبب صعوبة في تصنيع “microstrip” في الهيكل.

2- القرب:

القرب: يُعرف أيضاً باسم التغذية غير المباشرة التي يكون فيها مستوى الأرض غائباً، كما توجد فتحة على السطح الموصل للهوائي ويتم توفير اقتران باستخدام خط “microstrip”، كما من السهل تصنيعها مقارنة بهوائي التغذية المزود بفتحة، وإنّه يوفر إشعاعاً زائفاً منخفضاً وأكبر عرض نطاق.

مزايا هوائي Microstrip:

• الهوائي صغير الحجم.

• إنّه يوفر عملية تصنيع سهلة.

• بسبب الحجم الصغير، هناك سهولة في التركيب.

• يوفر تكاملاً سهلاً مع الأجهزة الأخرى.

• يمكنه إجراء عمليات تردد ثنائية وثلاثية.

• يمكن بناء صفائف الهوائي بسهولة.

• إنّه يوفر درجة عالية من المتانة على الأسطح الصلبة.

عيوب هوائي Microstrip:

• كفاءة الهوائي منخفضة.

• تُظهر هذه الهوائيات سلوكاً شديد الحساسية تجاه العوامل البيئية.

• تعرض هذه قدرة معالجة منخفضة الطاقة، وانخفاض الكسب وعرض النطاق الترددي الضيق.

• أكثر عرضة لإشعاع التغذية الزائف.

• هناك المزيد من الخسائر العازلة والموصلات في هوائيات “microstrip”.

تطبيقات هوائي Microstrip:

• يوفر الهيكل المنخفض للهوائيات “microstrip” استخداماً واسعاً في الاتصالات اللاسلكية، وهذا هو السبب تظهر هذه الهوائيات التوافق نحو الأجهزة المحمولة، مثل أجهزة النداء الآلي والهواتف المحمولة.

• نظراً للهيكل الرقيق لهذه الهوائيات، فإنّها تستخدم كهوائيات اتصالات على الصواريخ.

• تستفيد تطبيقات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية وتطبيقات الميكروويف أيضًا من هوائي microstrip نظرًا لصغر حجمه.

• تستخدم في خدمة “GPS“، وهي واحدة من أهم مزايا هوائيات مغير، حيث أنّه يوفر سهولة في تتبع المركبات ومشاة البحرية.

• تُستخدم أيضاً في تطبيقات في رادارات صفيف مرحلي، حيث يمكنها التعامل مع تحمل عرض النطاق الترددي حتى نسبة مئوية معينة.

ملاحظة:“GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.